[논문 리뷰] The X-ray and Radio Loud Fast Blue Optical Transient AT2020mrf: Implications for an Emerging Class of Engine-Driven Massive Star Explosions

Yuhan Yao, Anna Y. Q. Ho외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 01.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 153인용 수 57

한 줄 요약

이 논문은 z = 0.1353에서 관측된 매우 밝은 X선 및 라디오 방사선을 방출하는 빠른 파랑광학 변동성 천체(FBOT)인 AT2020mrf를 제시한다. 이 사건은 3.7일의 상승 시간를 보이며, 최대 절대 등급 Mg,peak = −20.0을 기록한다. 연구는 이 사건이 중심 엔진(일반적으로 밀리초 마그네타르 또는 질량을 가진 블랙홀일 가능성이 높음)에 의해 추진되는 거대한 항성 폭발의 희귀한 클래스에 속한다고 규명한다. 이는 극도로 높은 X선 방사능(최대 ∼2×10⁴³ erg s⁻¹)과 지속적인 변동성으로 인해 AT2018cow보다 약 20배 높은 수준을 보이며, 이는 중심 엔진의 존재를 시사한다.

ABSTRACT

We present AT2020mrf (SRGe J154754.2$+$443907), an extra-galactic ($z=0.1353$) fast blue optical transient (FBOT) with a rise time of $t_{g, m rise}=3.7$ days and a peak luminosity of $M_{g, m peak}=-20.0$. Its optical spectrum around peak shows a broad ($v\sim0.1c$) emission feature on a blue continuum ($T\sim2 imes10^4$ K), which bears a striking resemblance to AT2018cow. Its bright radio emission ($ u L_ u = 1.2 imes 10^{39}\,{ m erg\,s^{-1}}$; $ u_{ m rest}= 7.4$ GHz; 261 days) is similar to four other AT2018cow-like events, and can be explained by synchrotron radiation from the interaction between a sub-relativistic ($\gtrsim0.07$-$0.08c$) forward shock and a dense environment ($\dot M \lesssim 10^{-3}\,M_\odot \,{ m yr^{-1}}$ for $v_{ m w}=10^3\,{ m km\,s^{-1}}$). AT2020mrf occurs in a galaxy with $M_\ast \sim 10^8\,M_\odot$ and specific star formation rate $\sim 10^{-10}\, { m yr^{-1}}$, supporting the idea that AT2018cow-like events are preferentially hosted by dwarf galaxies. The X-ray luminosity of AT2020mrf is the highest among FBOTs. At 35-37 days, SRG/eROSITA detected luminous ($L_{ m X}\sim 2 imes 10^{43}\,{ m erg\,s^{-1}}$; 0.3-10 keV) X-ray emission. The X-ray spectral shape ($f_ u \propto u^{-0.8}$) and erratic intraday variability are reminiscent of AT2018cow, but the luminosity is a factor of $\sim20$ greater than AT2018cow. At 328 days, Chandra detected it at $L_{ m X}\sim10^{42}\,{ m erg\,s^{-1}}$, which is $>200$ times more luminous than AT2018cow and CSS161010. At the same time, the X-ray emission remains variable on the timescale of $\sim1$ day. We show that a central engine, probably a millisecond magnetar or an accreting black hole, is required to power the explosion. We predict the rates at which events like AT2018cow and AT2020mrf will be detected by SRG and Einstein Probe.

연구 동기 및 목표

• AT2020mrf라는 최근 발견된 빠른 파랑광학 변동성 천체(FBOT)의 X선, 라디오, 광학 대역에서의 다파장 특성을 규명하기 위해.
• AT2018cow 유사 사건들보다 약 20배 높은 수준을 보이는 극도로 높은 X선 방사능과 변동성의 기원을 조사하기 위해.
• 에너지가 매우 높고 변동성이 뚜렷한 방출 특성에 기반해, AT2020mrf가 밀리초 마그네타르나 질량을 가진 블랙홀과 같은 중심 엔진에 의해 추진되고 있는지 판단하기 위해.
• 주변 은하계 환경을 평가하고, 특히 저질량, 항성 형성 활동이 활발한 왜소 은하에서의 선호도에 대한 함의를 분석하기 위해.
• 관측된 방사능 및 발생률 제약 조건을 바탕으로, 향후 전천구 X선 순시 조사인 SRG와 Einstein Probe에서 유사 사건의 탐지 빈도를 예측하기 위해.

제안 방법

• AT2020mrf의 고정된 기준계 광도 곡선을 구성하기 위해 ZTF 및 ATLAS 강제 광도 측정 서비스를 사용해 다중 에포크 광학 광도 측정을 수행하였다.
• SRG/eROSITA 및 찰리안의 X선 데이터를 분석하여 방사능과 스펙트럼 형상(fν ∝ν⁻⁰.⁸)을 측정함으로써 변동성과 스펙트럼 진화를 평가하였다.
• 7.4 GHz(νrest)에서의 라디오 광도 곡선을 사용해 조밀한 환성물질(CSM)과 상호작용하는 전파파면에 의한 동기방출을 모델링하였으며, ˙M ≲10⁻³ M⊙ yr⁻¹로 추정하였다.
• 계속적인 불확실성을 반영하기 위해 일정한 분산 항목 σ₀²를 포함한 CSM 충격파 폭발 및 냉각 모델(CSM SBO+SCE)을 사용해 광학 광도 곡선을 피팅하였다.
• AT2020mrf의 X선 광도 곡선을 장수기 감마선 폭발(GRBs) 및 AT2018cow의 것과 비교하여 방사능과 감쇠 경향을 평가하였다.
• 방사능 함수와 순시 조사 감도 곡선을 사용해 향후 전천구 순시 조사에서 AT2018cow 유사 및 AT2020mrf 유사 사건의 탐지 빈도를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AT2020mrf에서 폭발 후 35–37일 경과 시점에 관측된 극도로 높은 X선 방사능(LX ∼2×10⁴³ erg s⁻¹)의 기원은 무엇인가요?
• RQ2 일 단위 스케일의 지속적인 X선 변동성과 부드러운 X선 스펙트럼(fν ∝ν⁻⁰.⁸)은 밀리초 마그네타르나 질량을 가진 블랙홀과 같은 중심 엔진의 존재를 시사하는가요?
• RQ3 7.4 GHz에서의 라디오 방사능(νLν = 1.2×10³⁹ erg s⁻¹)은 환성물질(CSM)의 특성, 예를 들어 질량 손실률과 밀도를 어떻게 제약하는가요?
• RQ4 AT2020mrf의 주변 은하계 특성은 무엇이며, 이는 AT2018cow 유사 사건들이 저질량, 항성 형성 활동이 활발한 왜소 은하에서 선호적으로 발생한다는 가설을 어떻게 뒷받침합니까?
• RQ5 SRG와 Einstein Probe와 같은 향후 X선 전천구 순시 조사에서 AT2018cow 유사 및 AT2020mrf 유사 사건의 예상 탐지 빈도는 무엇입니까?

주요 결과

• AT2020mrf는 알려진 FBOT 중에서 가장 높은 X선 방사능을 보이며, 폭발 후 35–37일 경과 시점에 LX ∼2×10⁴³ erg s⁻¹에 도달하여 AT2018cow보다 약 20배 높다.
• X선 스펙트럼(fν ∝ν⁻⁰.⁸)과 강력한 일 단위 스케일의 변동성은 밀리초 마그네타르나 질량을 가진 블랙홀과 같은 중심 엔진이 방출을 추진하고 있음을 일관되게 뒷받침한다.
• 7.4 GHz(νrest)에서의 라디오 방사능(νLν = 1.2×10³⁹ erg s⁻¹)은 밀도가 높은 CSM와 상호작용하는 전파파면에 의한 동기방출로 가장 잘 설명되며, 이는 vw = 10³ km s⁻¹일 경우 ˙M ≲10⁻³ M⊙ yr⁻¹로 추정된다.
• 주변 은하계는 별 질량 M∗ ∼10⁸ M⊙이며, 특정 항성 형성률 ∼10⁻¹⁰ yr⁻¹을 보이며, 이는 AT2018cow 유사 사건들이 저질량, 항성 형성 활동이 활발한 왜소 은하에서 선호적으로 발생한다는 가설을 뒷받침한다.
• 328일째에 찰리안은 AT2020mrf를 LX ∼10⁴² erg s⁻¹로 탐지하였으며, 이는 AT2018cow 및 CSS161010보다 200배 이상 높은 방사능이자 지속적인 일 단위 스케일의 변동성을 보였다.
• 이 연구는 SRG와 Einstein Probe가 연간 약 1–10건의 AT2018cow 유사 사건과 약 0.1–1건의 AT2020mrf 유사 사건을 탐지할 것으로 예측한다. 이는 방사능 및 순시 조사 감도를 바탕으로 한다.